傳感器和信號(hào)調(diào)理電路運(yùn)放課件

如何測(cè)量你的體溫？ 包括：獲取溫度信號(hào)以及處理溫度信號(hào)本講我們將了解測(cè)量系統(tǒng)的組成，包括信號(hào)的獲取以及信號(hào)的預(yù)處理。另外，著重介紹在信號(hào)處理中使用最多的器件：運(yùn)算放大器。引言溫度測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)預(yù)處理溫度溫度傳感器電信號(hào)符合要求的信號(hào)8/20/20241力的測(cè)量與差動(dòng)放大傳感器傳感器定義：能感受某種信息（被測(cè)量），并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置；可用信號(hào)：某一定場(chǎng)合中便于傳輸和處理且可以使用的信號(hào)，常是電量。傳感器的本質(zhì)：將被測(cè)量從一種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，并作為可用信號(hào)輸出；狹義的傳感器：被測(cè)量

電信號(hào)；傳感器是工業(yè)系統(tǒng)的感官，獲取工業(yè)系統(tǒng)中的位置、轉(zhuǎn)速、溫度、液位、壓力等信息；對(duì)傳感器的要求：線性度好、無(wú)滯環(huán)誤差、特性穩(wěn)定、測(cè)量范圍寬、響應(yīng)迅速。被測(cè)量傳感器可用信號(hào)物理量化學(xué)量生物學(xué)量8/20/20242西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心信號(hào)調(diào)理電路問(wèn)題： 傳感器的輸出信號(hào)往往很微弱，或波形不適當(dāng)，或信號(hào)形式不適合，不能直接用于工業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和控制。解決：電壓放大、整形、電流－電壓轉(zhuǎn)換、頻率－電壓轉(zhuǎn)換等；信號(hào)調(diào)理電路：對(duì)傳感器的輸出信號(hào)施行一定預(yù)處理的裝置，使信號(hào)適于顯示或控制。 主要技術(shù)：電子技術(shù)——運(yùn)算放大器測(cè)量同一被測(cè)量：不同的測(cè)量方法不同的傳感器及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。同一傳感器可以用于不同的工業(yè)系統(tǒng)。8/20/20243西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心直流電源測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路典型測(cè)量系統(tǒng)的組成現(xiàn)場(chǎng)物理量傳感器可用信號(hào)顯示裝置信號(hào)發(fā)生器示波器控制裝置萬(wàn)用表8/20/20244西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心常用儀器在測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（不同波形種類、不同頻率和幅值的信號(hào)）；調(diào)試和維修時(shí)，模擬傳感器的輸出信號(hào)示波器：測(cè)量并顯示電路中不同點(diǎn)的信號(hào)；直流電源：為系統(tǒng)各部分供電；萬(wàn)用表：最方便的檢測(cè)儀器可測(cè)量電壓、電流、電阻、電容、電感、溫度……8/20/20245西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器件；完成信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算（加、減、乘、除、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、平方、開(kāi)方等）、信號(hào)處理（濾波、調(diào)制等）以及波形的產(chǎn)生和變換等功能；由于集成運(yùn)放具有性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、耗電量少等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用；注意：集成運(yùn)算放大器是一個(gè)有源器件。8/20/20246西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的符號(hào)以及常見(jiàn)的運(yùn)算放大器：管腳起始朝左管腳序號(hào)逆時(shí)針?lè)较蛟鲩L(zhǎng)??！OP07LM324_+8/20/20247西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱為運(yùn)放；運(yùn)放有兩個(gè)輸入端：同相輸入端反相輸入端有單端和差動(dòng)兩種輸入方式一個(gè)輸出端；8/20/20248西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)算放大器“放大”的含義及工作特性曲線0ViVoE+E-正向飽和反向截止線性放大區(qū)“放大”的含義運(yùn)放的工作特性曲線Vo∈(E-,E+)8/20/20249西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心理想運(yùn)算放大器A很大，1000以上ri很大，兆歐以上ro很小，可以忽略Vo有限，電源電壓范圍內(nèi)A→∞r(nóng)i→∞r(nóng)o→0Vo∈(E-,E+)V+=V-Ii=0虛通虛短虛斷考慮電壓考慮電流理想運(yùn)放是一個(gè)高增益、高輸入電阻、低輸出電阻的器件。1反相輸入端ri_+ro_AVi+122同相輸入端38/20/202410西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心理想運(yùn)算放大器在輸入一側(cè)考慮電壓關(guān)系時(shí)：反相輸入端與同相輸入端的電壓相等，稱為“虛通”或“虛短”；若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）電位為零，則反相端（同相端）電位也為零，稱為“虛地”；在輸入一側(cè)考慮電流關(guān)系時(shí)：反相輸入端與同相輸入端之間的電流為零，稱為“虛斷”。_+1238/20/202411西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心單端輸入與差動(dòng)輸入單端輸入方式一端接輸入信號(hào)，另一端接地（或通過(guò)電阻接地）同相輸入反相輸入差動(dòng)輸入方式（雙端輸入）輸入信號(hào)V1和V2同時(shí)加在同相端1和反相端2上Vi＝V1－V28/20/202412西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心開(kāi)環(huán)方式與反饋方式開(kāi)環(huán)方式輸出端與輸入端之間除地線外沒(méi)有連接；如：比較器。反饋方式有信號(hào)從輸出端經(jīng)過(guò)某種電路回到輸入端，構(gòu)成反饋回路。8/20/202413西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心正確理解運(yùn)放的“工作方式”運(yùn)放內(nèi)部并沒(méi)有所謂的“工作方式”，它只會(huì)按照運(yùn)放的工作特性曲線工作（即對(duì)所有的“工作方式”都一樣）；所謂的“工作方式”是依運(yùn)放的外部連接而引入的說(shuō)明。8/20/202414西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)放的分析方法——三步走虛斷：把電路分為兩個(gè)電阻串并聯(lián)的支路；虛短：V+=V-，即兩個(gè)支路之間的關(guān)系；使用電阻串并聯(lián)的方法求解（設(shè)電流i）。8/20/202415西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)放應(yīng)用：反相比例放大器Va=0a點(diǎn)常稱“虛地”點(diǎn)虛斷虛短R2R1_++10V-10VR3a8/20/202416西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)放應(yīng)用：反相比例放大器R2R1_++10V-10VR3a虛短虛斷反向輸入支路同向輸入支路8/20/202417西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)放應(yīng)用：同相比例放大器虛斷虛短原理圖中常用的簡(jiǎn)化畫(huà)法8/20/202418西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)放應(yīng)用：電壓跟隨器虛斷虛短輸出跟隨輸入變化。作用：前后極之間的隔離、緩沖，提高帶負(fù)載能力等。8/20/202419西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)放的補(bǔ)充說(shuō)明前面講的均是運(yùn)放的理想模型，集成運(yùn)放內(nèi)部并非真如模型的結(jié)構(gòu)，但是它有與模型相同的特性（工作特性曲線），所以可以使用理想模型來(lái)分析運(yùn)放；集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在《模擬電子技術(shù)》課程中有深入的講解，可以參考：《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）》清華大學(xué)電子學(xué)教研組 編童詩(shī)白華成英主編8/20/202420西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心訓(xùn)練內(nèi)容1：反相放大器的測(cè)試輸入信號(hào)ui：正弦波，f=2kHz，直流電平為0V，uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；雙蹤觀察輸入輸出波形，記錄輸出uop-p；連續(xù)增大ui的幅值，記錄出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時(shí)輸入、輸出信號(hào)的峰峰值。uip-p(V)uop-p(V)0.40.81.21.82.5臨界飽和時(shí)：

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8/20/202421西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心信號(hào)發(fā)生器ⅠⅡ直流電源反相放大器的訓(xùn)練：接線示意圖示波器電路的檢測(cè)方法：檢查電源供電是否正常？有問(wèn)題，檢查①連接點(diǎn)②導(dǎo)線直流電源的使用：開(kāi)啟之前逆時(shí)針旋到底“跟蹤”按下電路中所有的地要“共地”8/20/202422西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心訓(xùn)練電路板簡(jiǎn)介8/20/202423西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心訓(xùn)練內(nèi)容2：同相放大器的測(cè)試輸入信號(hào)ui：正弦波，f=2kHz，直流電平為0V，uip-p=0.4V、0.8V、1.2V、1.8V、2.5V；雙蹤觀察輸入輸出波形，記錄輸出uop-p；連續(xù)增大ui的幅值，記錄出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時(shí)輸入、輸出信號(hào)的峰峰值。uip-p(V)uop-p(V)0.40.81.21.82.5臨界飽和時(shí)：

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8/20/202424西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心訓(xùn)練內(nèi)容3：電壓跟隨器的測(cè)試輸入信號(hào)ui：正弦波，f=2kHz，直流電平為0V，uip-p=0.5V；雙蹤觀察輸入輸出波形；連續(xù)改變uip-p

，雙蹤觀察輸入輸出波形。8/20/202425西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心IC間距與DIP封裝IC間距：1IC=0.1inch=100mil=2.54mm面包板的插孔間距、集成電路封裝軟尺寸與硬尺寸軟引線尺寸：元器件安裝到面包板或印制電路板上時(shí)，元器件對(duì)焊盤(pán)間距要求不是很?chē)?yán)格，如：普通電阻、電容、小功率三極管、二極管等；硬引線尺寸：元器件對(duì)安裝尺寸有嚴(yán)格要求，如：大功率三極管、繼電器、電位器、集成電路。DIP封裝：雙列直插封裝，一般管腳數(shù)小于100如：DIP-8、DIP-14、DIP-40其他封裝：PLCC、QFP……8/20/202426西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心元器件在面包板上的安裝示例OP07LM3241.5kΩ1.5kΩ71072907ICIC4IC集成電路：管腳序號(hào)按逆時(shí)針?lè)较蛟鲩L(zhǎng)極性：長(zhǎng)正短負(fù)色環(huán)為負(fù)8/20/202427西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心小結(jié)傳感器：被測(cè)量可用信號(hào)（一定規(guī)律）；信號(hào)調(diào)理電路：對(duì)可用信號(hào)做預(yù)處理；運(yùn)放：“虛短”＋“虛斷”電阻串并聯(lián)反相/同相比例器：實(shí)現(xiàn)電壓的單端放大；差動(dòng)放大器：實(shí)現(xiàn)兩路電壓的差動(dòng)放大；電壓跟隨器：實(shí)現(xiàn)前后極的隔離。測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路現(xiàn)場(chǎng)物理量傳感器可用信號(hào)顯示裝置控制裝置8/20/202428西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心訓(xùn)練中常見(jiàn)的問(wèn)題輸出波形產(chǎn)生畸變主要原因：未接電源地；可能原因：OP07損壞。在輸入uip-p＜2V就飽和①10kΩ電阻被短接；②輸入直流電平不為0，即OFFSET旋鈕開(kāi)且不為0。輸出波形先截止，后飽和①運(yùn)放：截止-9.3V，飽和+9.7V；②OFFSET旋鈕調(diào)節(jié)：有一個(gè)很小的直流電平。8/20/202429西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)算放大器“放大”的含義及工作特性曲線ViVo0E+-0.3E-+0.7正向飽和反向截止線性放大區(qū)“放大”的含義運(yùn)放的工作特性曲線飽和壓降約0.3V，截止導(dǎo)通電壓約0.7VVo∈[E-+0.7,E+-0.3]8/20/202430西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)放應(yīng)用：差動(dòng)放大器（減法器）虛斷虛短8/20/202431西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心運(yùn)放應(yīng)用：積分器虛斷虛短真正的積分器！！而RC不完全積分電路只是對(duì)于方波輸入時(shí)，有類似于對(duì)輸入ui積分的效果，并非真正的積分！！8/20/202432西安交通大學(xué)工程訓(xùn)練